浅析汽车钢化玻璃破碎的制造过程控制方法

2022-05-06马明辉

科学与信息化 2022年8期

马明辉

横河电机（中国）有限公司上海 200061

引言

玻璃以良好的视线和足够的强度，一直是汽车工业的最佳选择，随着终端消费者对汽车外观和功能要求的不断提高，汽车的外形和功能逐渐多样化和复杂化，汽车玻璃也随之变得复杂，玻璃的破碎机率也随之变大，汽车安全玻璃，同时作为整车的外观件和功能件，必须有稳健的制程系统来保证其全生命周期的安全性。玻璃是一种非晶无机非金属材料，由多种无机矿物（如石英砂、长石、纯碱等）为主要原料，再加入少量辅助原料制成的，它的主要成分为二氧化硅和其他氧化物，普通玻璃的化学组成是Na2SiO3、CaSiO3、SiO2或Na2O·CaO·6SiO2等，主要成分是硅酸盐复盐[1]，是一种无规则结构的非晶态固体。汽车安全玻璃主要分两类，夹层玻璃和钢化玻璃，这两种玻璃都是采用热处理的方式，在表面形成应力层，使机械强度和耐冲击强度得到提高，并具有特殊的碎片状态[2]、强度、安全性和热稳定性。如果应力被破坏，会导致玻璃立即破碎，失去一切功能，因此控制住影响应力的因素，就意味着控制住了破碎。

1 原理概述

1.1 玻璃钢化

玻璃淬火后形成表面的压应力，使玻璃的机械强度、耐热冲击性和安全性能大大提高，淬火过程被称为强化或钢化，淬火玻璃俗称钢化玻璃或预应力玻璃。淬火是对玻璃进行的一种特殊的热处理，将玻璃制品加热到玻璃化转变温度Tg以上50～60℃，然后在冷却介质（如空气、液体）中急速均匀冷却（如风冷淬火、液冷淬火等）。在该过程的开始阶段,玻璃内层和表面层将产生很大的温度梯度，并产生较大的应力，见图1（a）。随着温度的提高，由此引起的应力由于玻璃的黏滞流动而被松弛，造成了有温度梯度而无应力的状态，见图1（b）。然后急速冷却，随着温度梯度逐渐消除，松弛的应力在玻璃表面产生均匀分布的强大的压应力层（永久应力）见图1（e），所以，也可以说淬火过程就是使玻璃获得最大预应力（永久压应力）的加工过程[3]。

图1 钢化玻璃表面产生应力层的过程图

1.2 淬火程度

也就是钢化程度，是衡量钢化玻璃质量（性能）的重要指标，玻璃表面正压力越大，钢化程度越高，碎片尺寸越小。因为玻璃中的内应力的产生来自温度梯度的存在，所以，不同厚度的玻璃在相同的条件下，钢化程度是不同的，根据GB15763.2-2016的定义，钢化玻璃表面应力不应低于90MPa。

1.3 钢化玻璃的特性

玻璃是典型的脆性材料，其抗拉强度只有抗压强度的1/10～1/15，即抗压不抗拉张，玻璃的机械破损大都是由于承受了过大的拉力所致。玻璃在承受弯曲力、机械冲击力以及热冲击力时，最终在玻璃被破坏表面所承受的都是拉应力，以平板玻璃为例,玻璃经过淬火以后，在玻璃厚度方向上的应力分布呈抛物线形[4]，表面层为压应力，约占玻璃厚度的2/5（双面），内层为拉应力，约占玻璃厚度的3/5，应力分布如图2（a）所示，这种应力分布使其机械强度大大提高。当钢化玻璃受到外界压应力作用时，由于力的合成，结果最大张应力值不在玻璃表面，而是移向玻璃的内层，使得玻璃可以经受更大的压应力载荷而不损坏，玻璃的抗弯强度大大提高，如图2（c）所示。而退火玻璃在同样的压应力作用下，其另一面承受的是较大的张力，并有可能在这一拉力的作用下破损，如图2（b）所示，当钢化玻璃受到外界拉应力作用时，由于力的合成，其表面的压应力可以抵消一部分外界应力，使得玻璃可以经受更大的拉应力而不坏，玻璃的抗机械冲击强度和抗热冲击强度大大提高，而退火玻璃在同样的拉应力下可能或破损。

图2 钢化玻璃应力分布

1.4 引起钢化玻璃破碎的五类原因

第一，玻璃中有可见的浮法缺陷，如结石、气泡、夹杂物、裂纹、划伤、爆边等缺陷时，钢化后在缺陷周围形成较大的预应力集中或者造成表面压应力的不均匀，使玻璃达到应力失衡状态而产生破碎；

第二，钢化程度过高引起破裂，当钢化程度过高、玻璃表面压应力过大时，使玻璃内应力平衡超过临界状态而破碎；

第三，钢化成品玻璃，受到高静载外力作用，玻璃表面压应力过大，超过压应力的极限，使玻璃内应力平衡超过临界状态而破碎；

第四，钢化成品玻璃，受到点状冲击，冲击力瞬间破坏掉玻璃内应力平衡状态而破碎；

第五，浮法玻璃生产中如果存在硫化镍（NiS）杂质，在钢化后的硫化镍（NiS）晶相变化会从玻璃内部打破内应力平衡，造成破碎。

2 工艺过程概述

汽车钢化玻璃既要满足安全性和外形尺寸方面的要求，又要满足美观和溯源方面的要求，所以钢化玻璃在大多数条件下都要有瓷釉印刷，并且会在钢化玻璃上集成一些附件，以满足一些整车功能上的设计要求。

2.1 工艺过程设计

以一般汽车钢化玻璃的生产过程为例，钢化为物理钢化，不包含局部钢化过程，整个过程可以分为3部分：①前处理工序；②热弯钢化工序；③后加工工序。

具体工艺流程，如图3钢化玻璃制造工艺流程图所示。

图3 钢化玻璃制造工艺流程图

2.2 工艺实现

以工业化的玻璃制造厂比较常见的配置，结合基本的工业效率，人机工学等方面的需求，选用每个工艺步骤所需要的材料，工具和设备。

2.2.1 原片玻璃，原片选择浮法玻璃，根据成品的规格确定颜色和厚度，根据设备能力与浮法玻璃供应商确定长宽尺寸。

2.2.2 形状切割，采用数控自动切割机和金刚石滚轮刀具，加切割油。

2.2.3 磨边，用数控自动研磨机和金刚石砂轮刀具，加冷却液。

2.2.4 钻孔，用数控自动钻孔机和金刚石钻头，加冷却液。

2.2.5 清洗，加温自动清洗机和尼龙毛刷，加水清洗。

2.2.6 瓷釉印刷，丝网印刷机，加浆体瓷釉或银浆。

2.2.7 玻璃加热，采用渐进式分段电加热炉，上下加热。

2.2.8 成型，以中空模具，靠重力成型，钢化采用高压风冷。

2.2.9 钢化后冷却到室温，采用低压风冷。

2.2.10 产品检验，采用仿形检具检测3D尺寸，并通过工作台和人工检验玻璃的外观，以及浮法玻璃缺陷。

2.2.11 附件安装前的玻璃底剂涂布，利用工作台固定，人工手持工具涂布底剂。

2.2.12 附件安装，采用简易工装定位，简易安装设备，由人工完成附件装配。

2.2.13 静置固化，采用平放形式的周转容器，人工移动。

2.2.14 成品检验，用仿形工装加人工检测形式。

2.2.15 包装，根据客户要求，以及玻璃的特点，采用专用周转器具。

2.2.16 运输交付，铲车装卸，卡车运输。

3 工艺控制点的选择

根据钢化玻璃的原理，破碎的分类，以及工业化制造的特点，结合工艺过程设计，分析并确定整个过程的质量控制点。

3.1 原片检验

浮法玻璃生产是连续的，包装形式是大尺寸，多数量的，因此，质量工程师需要结合不同供应商的质量绩效和GB2828抽样标准进行来料抽检，针对破碎控制的因素，此工序的控制点有三个：①玻璃厚度，用千分尺测量，根据产品规范书或GB11614判断结果；②浮法缺陷检查，主要检查气泡，内部杂质，结石，划伤，裂纹等，判断标准同上；③锡面方向，与包装上的标识一致。

3.2 形状切割

形状切割有两步，切割和掰边落料，此工序对破碎的影响是掰边后产生大的爆边和裂纹，造成缺陷的原因和切割速度，切割压力和掰边压力，以及切割刀的寿命有直接关系，因此此处控制点是设备参数确认，包括切割速度，切割压力，刀具寿命，切割油流量。根据不同的产品要求，充分考虑不同颜色和不同厚度的玻璃，在项目开发阶段做好DOE，确定一个合理的控制范围，量产阶段可以通过每班点检设备参数来从源头控制，也需要抽检玻璃磨边后的边部质量来监控是否有异常。

3.3 磨边

磨边是用金刚石砂轮把锐利的切割边缘磨成弧形，减小在钢化时的应力集中程度，不同厚度的玻璃的边部弧线必须单独设计，不同的弧线由不同的砂轮槽型决定，砂轮的槽型在磨削玻璃的同时也在损伤自身的形状，因此，必须对砂轮的槽型进行修复，磨边缺陷对破碎有影响的是爆边和焦边，对这两个缺陷有直接影响的是磨削速度，磨削量和砂轮槽型，因此，此处控制点是磨削速度，磨削量，砂轮修复频次和冷却液的流量，控制标准由工艺工程师和质量工程师在项目阶段的DOE结果确定。

3.4 钻孔

玻璃的钻孔一般采用上下对穿的形式，当然也有其他形式，这里不做讨论，钻孔工序所产生的缺陷：爆边和裂纹，会对钢化玻璃的破碎造成直接影响，产生这些缺陷的原因与钻头的进给速度和冷却有关，因此，此处的控制点为钻头的进给速度，冷却液流量和钻头寿命。

3.5 瓷釉印刷

汽车玻璃的瓷釉以黑色为主，由于黑色瓷釉的吸热能力与玻璃的吸热能力不同，在钢化过程中，有瓷釉的部分和无瓷釉的部分内应力分布有所不同，为减少内部内应力的不平衡状况，两部分之间加入点状矩阵过度，由产品工程师模拟完成，此处的控制点为确认丝网的形状是否与标准相一致。

3.6 钢化前的玻璃加热

加热的目的是达到Tg点以上，以便热弯成型，根据钢化的原理，玻璃在加热过程中，尽可能让玻璃整体均匀受热，工艺工程师在项目开发阶段确认加热炉各段加热单元的温度设定和输出功率，确保玻璃加热均匀，因此，此工序的控制点为温度波动曲线，以及玻璃的前进速度是否在标准设定区域，在加热过程中，如果出现异常破碎，必须立即清理传送系统，保证没有碎玻璃划伤后续的玻璃，此处异常控制点必须有标准预案和传送装置的检验标准。

3.7 热弯和钢化

玻璃在加热到Tg点以上，用模具使玻璃达到需要的形状，之后用钢化模具放到高压风口出急速冷却，完成钢化过程。汽车玻璃的热弯和钢化一般都是连续进行的，用中空模具支撑玻璃边缘完成热弯和钢化，虽然热弯过程也会造成一些破碎，但热弯过程主要由模具控制，有模具工程师管理，在此不做质量控制点。热弯成型的速度会导致裂纹和褶皱，进而导致破碎，可以作为一个质量控制点。钢化的风压和钢化时间直接决定钢化强度，会直接导致在钢化过程中破碎，以及后续成品检验和使用阶段的破碎，因此，钢化风压和钢化时间是重要的控制点。

3.8 钢化后冷却

钢化完成后，玻璃的温度也会在250度以上，不能直接进行后续操作，必须把玻璃的温度降到室温，正常情况下不影响应力，这里不做特别管控，但如果在此过程有玻璃异常破碎，必须立即清理该区域，保证没有碎玻璃划伤后续的玻璃，此处异常控制点必须有标准预案和传送装置的检验标准。

3.9 钢化玻璃检验

钢化玻璃产品检验有很多，对于破碎有重大关系的是表面应力的检验和碎片的检验，这两项直接反应钢化程度，此处设为控制点，①表面应力用专门的仪器测量，根据稳定性设定每1小时或2小时抽检两片，根据GB9656定义，表面正应力应不小于105MPa；②根据GB9656定义，汽车钢化玻璃的碎片要求为40-400片/50mm×50mm，碎片越多，越容易破碎，从破碎角度考虑，碎片数量控制在110-160片比较安全。

3.10 后工序

后工序以装配附件为主，在加工之前需要对玻璃在工装或设备上定位，以保证所有部件的装配尺寸能达到设计要求，由于汽车玻璃都是3D尺寸，所以玻璃在工装上定位，一般采用中心定位，玻璃的四条边上有6个点受力，玻璃在定位的过程中一定会产生变形，压力层会受到冲击，如果静载力过大或冲击过大，也会造成破碎。有金属件和钢化玻璃集配在一起时，如果两者的初始型面相差很大，在集配到一起以后，也会对玻璃的正压力产生影响，因此后工序的控制点有以下3个：①工装定位的速度，定位机构的压力，由设备工程师根据产品不同来设置。②附件型面尺寸，通过来料抽检，确定批次差异，如果附件和玻璃的形面偏差较大，按异常处理，更换原料批次，再进行正常生产。③如果在装配过程中玻璃碎在工装上，必须清理干净整个工装，保证没有碎玻璃划伤后续的玻璃，此处异常控制点是有标准预案和工装的检验标准。